Konec jednorázových satelitů: Jak prodloužit jejich životnost?

Konec jednorázových satelitů: Jak prodloužit jejich životnost?

Když našemu autu dojde palivo, jednoduše zajedeme na čerpací stanici nebo ho připojíme k nabíječce. Nikdo by neakceptoval, že po jednom tankování musí vozidlo skončit na vrakovišti. Přesto takto dnes funguje většina satelitů. Po vyčerpání paliva, bez ohledu na jejich technickou funkčnost, buď shoří v atmosféře, nebo skončí na tzv. hřbitovní orbitě – daleko od aktivních družic.

Jen v roce 2023 bylo na oběžnou dráhu vysláno více než 2 600 nových objektů. Počet satelitů neustále roste, což vede k větší konkurenci o prostor ve vesmíru a zároveň k hromadění kosmického odpadu. Společnost Orbit Fab se rozhodla tento neefektivní systém změnit – vyvíjí první komerční službu tankování satelitů přímo ve vesmíru.

Od svého založení v roce 2018 firma doplnila vodu na Mezinárodní vesmírné stanici (ISS), spustila první palivový sklad na orbitě a uzavřela klíčová partnerství s vládními i komerčními zákazníky. Jejím cílem je umožnit novou generaci satelitních misí s delší životností a větší flexibilitou.

Vesmírné čerpací stanice: revoluce v satelitním provozu

Orbit Fab přišel s konceptem Gas Stations in Space™, což jsou vesmírné čerpací stanice, které umožňují doplňování paliva pomocí specializovaných "shuttlů". Tyto malé transportní jednotky přivážejí palivo ze skladů přímo k zákaznickým satelitům vybaveným rozhraním RAFTI™ (Rapidly Attachable Fluid Transfer Interface), které zajišťuje efektivní připojení ke stávajícímu pohonnému systému družice.

Palivové sklady na orbitě mají jednoduchý pohonný systém a avioniku pro udržení pozice a tepelné stabilizace. Palivové shuttly jsou plně funkční kosmické lodě vybavené:

• GRIP™ – aktivní systém pro zachycení a doplnění paliva
• RAFTI™ – kompatibilní rozhraní pro různé typy pohonných látek
• ADCS – systém řízení orientace s šesti stupni volnosti
• RPOD – technologie pro bezpečné připojení ke klientským satelitům

Díky pokročilému softwaru UMPIRE lze optimalizovat tankovací mise pro konkrétní družice a minimalizovat spotřebu paliva (delta-V).

Výzvy vesmírného prostředí: tepelná a konstrukční stabilita

Ve vesmíru hraje klíčovou roli teplotní regulace. Proto společnost Orbit Fab používá simulace, aby ověřila funkčnost svých rozhraní.

"Ansys nám opravdu pomáhá provést potřebné analýzy předem a ověřit, že náš mechanismus bude fungovat," říká Kevin Smith, hlavní inženýr Orbit Fab.

Jeho tým spoléhá na Ansys Thermal Desktop pro tepelné modelování a Ansys Mechanical pro strukturální analýzy. Tepelný inženýr Diarmuid Gregory doplňuje:

"Pomáhá nám určit, zda při spojování satelitů nedojde k negativním tepelným jevům."

Ve vesmíru není atmosféra, takže teplo nelze odvádět konvekcí. Satelity proto využívají radiátory pro chlazení. GRIP™generuje teplo svými motory, které by mohlo negativně ovlivnit RAFTI™ zákazníků. Simulace a testy v termovakuové komoře pomohly optimalizovat návrh.

Kromě teploty je důležitá i odolnost proti vibracím během startu. Pomocí Ansys Mechanical tým testuje rozmístění šroubů, frekvence rezonance a odolnost vnitřních komponent GRIP™.

Efektivnější satelitní mise za méně paliva

Mise vyžadující časté změny oběžné dráhy potřebují rychlé analytické nástroje. Orbit Fab vyvinul vlastní platformu UMPIRE, která integruje Ansys Systems Tool Kit (STK) pro optimalizaci tankování s minimálním dopadem na palivové zásoby.

"Zadáte vše, co má váš satelit dělat – výchozí orbitu, cílovou orbitu, dobu setrvání – a UMPIRE určí kdy, kde a jak doplnit palivo," vysvětluje Nate Wilson, inženýr plánování misí.

Díky tankování mohou být palivové nádrže menší, čímž se snižuje hmotnost satelitu. Získaný prostor lze využít pro další vybavení nebo celkové zmenšení družice.

K zajištění bezpečnosti testoval tým RPOD systém v laboratořích na Kirtland Air Force Base. Výsledky ukázaly, že řízená srážka mezi shuttlem a družicí vyvine menší sílu než kliknutí propiskou.

"Cílem každé operace ve vesmíru je vyhnout se kolizi. Naší výzvou je dokázat, že to umíme bezpečně. A simulace nám v tom pomáhá," uzavírá Smith.

Budoucnost satelitních služeb

Tankování satelitů ve vesmíru otevírá nové možnosti pro efektivnější a udržitelnější provoz na orbitě. Orbit Fabpřináší revoluční technologii, která prodlouží životnost družic, sníží množství vesmírného odpadu a umožní flexibilnější mise.

V budoucnu se možná satelity stanou plně servisovatelnými systémy, podobně jako auta, která jednoduše doplní palivo a pokračují v jízdě. Konec éry jednorázových družic je na dohled.